Post on 11-Mar-2018
デジタルエンジニアリング演習
流体CAE演習(1)
2016年11月10日(木)
担当: 長藤圭介,井ノ上泰輝,前田悦男,波田野明日可
市川保正(流れ実験),石川 明克(振動CAM),
中根茂(振動加工),諸山 稔員(振動計測)
今日のスケジュール 2
13:00~14:00 教職員・TA紹介,流体CAE演習全体説明 14:00~16:40 各自自習 ・15:00頃 迎角10°の計算結果チェック ・ ~16:40 10°以外の迎角2種類の結果チェック 11/18までにこの結果をレポートにして提出(詳細はp.43)
流れの数値シミュレーション
CFD = Computational Fluid Dynamics (数値流体力学)
http://jda.jaxa.jp/ http://ansys.jp/applications/industry/auto/index_a.html
0
1)( 2
v
Fvvvv
pt
3
流れの数値シミュレーション
保原充,大宮司久明編,「数値流体力学: 基礎と応用」,東京大学出版会(1992)
4
► 流体解析ソフトウェアのひとつ
► CADソフトSolidworksと統合
► 有限差分法ベース
► 様々な物理現象を取り扱う
ex) 乱流、熱伝導、非ニュートン性、亜音速・超音速、回転機械
Solidworks Flow Simulation
流体解析・熱伝導解析ソフトウェア
5
► 適用例
航空機の翼周りの流れ、石油プラットフォーム、血流、半導体製造、クリーンルームの設計、排熱設計、排水処理プラントの設計
練習問題
流体 空気 密度 = 1.225 kg/m3 粘度 m = 1.7894 x 10-5 kg/m・s 流速 U = 43.82 m/s 翼型 NACA0012 翼弦長 c = 2 m 迎角 a
計算条件
c
a U
L
D
課題
① SolidWorksの操作方法を確認する
② 翼周りの流れの様子を可視化して確認する - 圧力分布はどのようになっているか? - 流線はどのようになっているか? 圧力分布との関係は? - 境界層内の速度分布はどのようになっているか?
③ 揚力係数CL,抗力係数CDを求め,実験値と比較する - どの程度,実験(p.8)を再現できるのか? 合わない理由は何か?
流れのレイノルズ数を 確認しておくこと
6
計算系の概要
一様流
翼弦長 c
0
vv
Uuu
pp
10 c
翼型を傾ける
【迎角の取り扱い方】 計算領域をなるべく大きくとる (無限遠方を近似的に再現する)
壁面
0
0
v
u
迎角 α
7
NACA0012翼型の風洞実験データ
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
CL
20151050
a [deg.]
Data from Ladson, NASA TM 4074, 1988 Re = 6 x 106 M = 0.15
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
CD
20151050
a [deg.]
0.020
0.018
0.016
0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
CD
20151050
a [deg.]
8
参考
揚力係数 AU
LCL
2
2
1
L 揚力
D 抗力
流体の密度
m 流体の粘度
U 主流の流速
p∞ 主流の圧力
p 圧力(任意の地点)
A 翼面積
c 代表長さ(翼弦長)
抗力係数 AU
DCD
2
2
1
レイノルズ数 m
UcRe
圧力係数 2
2
1U
ppCp
9
解析手順
形状の作成
計算条件の設定
解析の実行
解析結果の検討
今回の演習では
一般的な翼型を基に作成する。
10
• 境界条件
• 物性値
• 収束条件
:
:
下準備
1.席が決まったら、Windowsを起動し、ログインする。 2.以下のフォルダが存在する場合には、中身を全部削除しておく。 (以降の作業でトラブルの原因になるので)
C:¥SolidWorks 3.以下のフォルダを作成する。 C:¥SolidWorks¥step1¥arg10 →迎角を変えた場合は、別フォルダを作ること。(arg20など)
4.次に下記のHP,スケジュール表内よりnaca0012.txtをダウンロードし、 さきほど作成した C:¥SolidWorks¥step1 に置く。
http://www.fml.t.u-tokyo.ac.jp/lecture_4.html
本ウェブページから資料やファイルを随時ダウンロードするので、ブラウザのお気に入りにリンクしておくとよい。
11
※PやOドライブにファイルを置いて計算すると処理が遅くなる.必ずCドライブで計算.
Solid Works の立ち上げ スタート すべてのプログラム(すべてのアプリ) SolidWorks2015 SolidWorks 2015 x64 Edition
12
① 画面左上をマウスオーバー
ファイル 新規
Solid Works の立ち上げ
③「部品」が選択されていること確認 OK
13
②下記画面が出たら 単位系を MKS(m, kg, 秒)に設定 OK
この画面が出てこない場合はそのまま次へ.
Solid Works の立ち上げ 14
画面右下の表示を確認,MKSとなっていなければ
クリックしてMKSに修正
翼の座標点の読み込み
フィーチャータブ カーブ 座標点カーブ
15
翼の座標点の読み込み カーブファイルウインドウが表示 ①参照 ②NACA0012.txtを保存したフォルダを選択 ③ファイル形式(*.txt)を選択 ④NACA0012.txtを選択 ⑤開く ⑥OK
16
①
③
⑤
⑥
②
④
物体の作成 17
①正面 ②スケッチ ③エンティティ変換
④カーブを選択 ⑤OK ⑥スケッチ終了
①
②
③
④
⑤
⑥
物体の作成 18
①フィーチャータブ 押し出し ② 中間平面を選択 ③厚さ 0.5m ④OK
①
②
④
③
方向1タブで
操作法1:表示方向の変更方法
スクロールボタンでドラッグ
画面上の ボタンより変更
スペースキーを押す
(英字入力に限る)
等角投影
19
操作法2:拡大・縮小・移動
モデルを画面にフィット(画面全体表示)
一部の拡大縮小(ドラッグで指定)
スクロールで画面の拡大縮小も可
Ctrlキーを押しながらドラッグでモデルを移動
照明→アンビエント→右クリックで「照明編集」を選択→アンビエントの数値を1に変更 でコンターを明るくできます
20
カーブの非表示 21
カーブを右クリック 眼鏡マーク をクリック
カーブの表示/非表示が切り替わる
物体の回転の準備 22
①カスタマイズ
(フィーチャータブに ボディの移動/コピー があれば飛ばす)
①
②ショートカットバー
③ツールバーでフィーチャーを選択
④ボディの移動/コピー をドラッグ&ドロップ (次ページ参照)
⑤OK
②
③
④
⑤
物体の回転の準備 23
(フィーチャータブに ボディの移動/コピー があれば飛ばす)
ボディの移動/コピー を
ドラッグ&ドロップ
物体の回転 24
①ボディの移動/コピー
②移動するボディをクリック
③作成した翼を選択
④移動/回転 をクリック
④
②ここをクリック
③ 物体をクリック
物体の回転 25
①回転タブ
②Z軸回転に [ -10.00 deg ] を入力
③OK ①
③
②
保存 26
物体が目的の迎角に回転されたことを確認し,保存する
指定保存ファイル名をつけてC:¥SolidWorks¥step1¥arg10に.SLDPRT形式で保存
※ 下図はカーブを再表示・正面方向表示しています
既にFlow Simulationのタブがあればとばす アドインをクリック SolidWorks Flow Simulation 2015 の アクティブアドイン,スタートアップに チェック →OK
シミュレーションの準備 27
シミュレーションの開始
① Flow Simulation タブを選択 ② ウィザードをクリック
28
①
②
ウィザードを用いた設定
プロジェクト名を適当につけ,次へ
単位系 SI(m-kg-s)を選択し,
次へ
29
ウィザードを用いた設定
解析タイプ
外部流れを選択
次へ
デフォルト流体
気体→空気→追加
流れタイプ→乱流のみ に変更
次へ
30
ウィザードを用いた設定
壁面条件
特に変更せず,次へ
初期及び環境条件
X方向の速度に [ 43.82 ]
と入力し, 次へ
31
ウィザードを用いた設定
結果と形状レゾリューション
結果レゾリューション のスライドバーを 6 に移動し, 終了
32
計算領域の設定
計算領域を右クリック
→ 定義編集
33
計算領域の設定 タイプの「2Dシミュレーション」を選択 → 「XY平面」 → 寸法と条件 x: -20 ~ 20 m,y: -20 ~ 20 m, z: -0.005 ~ 0.005 m
→ OK
この厚みが翼面積に影響します.
間違えると,揚力係数・抗力係数の値が変わる.
34
3Dを選択するとメッシュ数が多くなりすぎて計算時にクラッシュ!
※10度の計算が終わった後に迎角を変えて計算する際は,計算領域がリセットされるので,忘れずに再度設定する
出力と収束条件の設定
②静圧・速度(X)・速度(Y)の
平均値にチェック
③OK
①ゴールを右クリック → グローバルゴールの挿入
①
③
②
②
35
出力と収束条件の設定
②面選択画面のハイライト確認
③サーフェス選択
④力(X)・力(Y)の
平均値にチェック
⑤OK
③ 側面をクリック
①ゴールを右クリック → サーフェスゴールの挿入
①
④
⑤
② ハイライト 確認
36
出力と収束条件の設定
②式欄でカーソル点滅でSG力(Y)1をクリック → 式に表示される
③揚力係数を求める式を入力
④「単位なし」を選択
⑤名前を「揚力係数」と入力
⑥OK (単位なし の右の方)
⑦同様にもう1つ方程式ゴール
の挿入して抗力係数も設定 ③ 揚力係数の式を入力 スライド6, 9を参照
①ゴールを右クリック → 方程式ゴールの挿入
①
④
②クリック
⑤入力
面積Aは,
翼弦長×解析域の奥行き
0.01)
37
②表示される
計算終了条件の設定
②条件設定の終了
停止基準[すべて達成]に変更
③揚力係数・抗力係数のゴールの基準
①計算コントロールオプション
下のウィンドウ出現
①
②
• 「自動」から「手動」に変更
• 適切な値を入力
例: 揚力係数1e-4
抗力係数1e-5
③
38
④
④ OK
解析実行
①実行
② 計算実行の新規計算
③ 実行
解析の注意点
• 揚力係数CL,抗力係数CDの値が収束しているか?
• 流れ場を可視化してみて,妥当な結果になっているか?
を確認し,
反復計算が足りない場合には,さらに追加で計算させる.また,計算が十分に収束したのであれば,途中で計算を中断しても良い.
39
①
② ③
※実行前にファイルを保存しておくとよい
解析画面の見方
グローバルプロット
40
計算実行で下画面がポップアップ
プレビュー挿入
クリックすると解析途中の値をモニターできる(次ページ)
解析画面の見方 グローバルプロット
41
プレビュー挿入
解析途中の値をモニターすることが出来る
揚力・抗力係数にチェック
縦軸の最大・最小値をダブルクリックして数値を入力し,スケールを調整できる
解析終了の画面 42
計算が終了したら,まず揚力係数と抗力係数の値をp.44に記入する. 次に,解析結果を可視化・保存する(p.45以降). その後,異なる迎角での計算を行う(p.60).
すべての収束条件が終了
レポート課題 計算条件
c
a U
L
D
迎角を大きくしていくと、ある角度で急激に揚力が減少し、 抗力が増加する。この現象を失速という。
• 各自、迎角を3種類計算し、以下の①~⑧についてレポートにする。 • 揚力係数と抗力係数の計算値(①)をグラフにせよ。p.8の実験値(②)と計算値を比較せよ。
• 失速する前と失速した後の流れに関して、解析結果を可視化(圧力コンター(③),流速ベクトル(④),流跡線(⑤),圧力/せん断応力のXYプロット(⑥)) して比較せよ。
• また,エクセル上で、翼表面における圧力/せん断応力を、揚力/抗力成分に分解(⑦)してプロットせよ。(エクセル上で、それらを周積分し、L, DがSolid Worksのそれと合致しているかも確認。)
• これらの分布から、失速により揚力が減少し、抗力が増加する理由を説明せよ(⑧)。
課題
各自,提出期限:11月 18日(金) 23:59 提出先:report-ryutai@photon.t.u-tokyo.ac.jp
PDFファイルを添付してメールで提出 (ファイルサイズ:なるべく5MB以下)
ファイル名: [班番号2桁]班_[学生証番号8桁]_[氏名].pdf (例) 01班_03999999_山田太郎.pdf 43
流体 空気 密度 = 1.225 kg/m3 粘度 m = 1.7894 x 10-5 kg/m・s 流速 U = 43.82 m/s 翼型 NACA0012 翼弦長 c = 2 m 迎角 a = 0~20°
44
迎角
a
揚力係数 CL
①計算値 ②実験値
(p.8から読み取る)
抗力係数 CD
①計算値 ②実験値
(p.8から読み取る)
③圧力コンター
スクリーンショット☑
④流速ベクトル
スクリーンショット☑
⑤流跡線
スクリーンショット☑
⑥圧力/せん断応力プロット
スクリーンショット☑
10°
• 迎角を3通り変化させて計算を行い、計算結果(揚力係数CL,
抗力係数CD)(①)を記入する。p.8から実験値を読み取る(②)。
• それぞれの迎角について、流れ場の可視化結果(③~⑥)のスクリーンショットを保存する。
• TAに計算値とスクリーンショットを見せて、流れ場がどのようになっているか説明する。
本日の課題(レポート課題の一部) (チェック項目:①~⑥ p.43に相当)
☜ここまででチェック
☜ここまでできたらチェック後解散
計算終了後:計算結果のロード 45
自動で
結果が
ロード
される
自動で結果がロードされない場合,
又は過去の計算結果が見たい場合,
ロード/アンロード ボタン をクリック
計算結果の可視化:圧力コンター(③) 46
①断面プロットを
右クリック挿入
② コンター
クリック
③ タブから
相対圧力を選択
④ OK
計算結果の可視化:圧力コンター(③) 47
スクリーンショットを保存 例:キーボードのPrint Screenキーを押し,Windowsアクセサリのペイントを開き,貼り付け し,名前をつけて保存
※この図は迎角10度の結果ではない
正面を表示する
計算結果の可視化:流速ベクトル(④) 48
①断面プロット1を右クリックし, 定義編集 (又は新たに挿入)
② コンターと
ベクトルを
クリック
③ タブ2ヶ所で
速度を選択
⑤ OK
④間隔・サイズを指定 例えば0.1mにする
※間隔の数値が小さいと(0.04mのままだと) PC負荷が大きくクラッシュしやすい
※PCへの負荷が大きく
クラッシュしやすい
事前にファイルを保存
計算結果の可視化:流速ベクトル(④)
49
スケールバーの左側にマウスを持っていくと,バーのドラッグで色分割数を変えられる
矢印の間隔・サイズは断面プロットの定義編集より変更できる
スクリーンショットを保存
その後,断面プロット1を右クリックして非表示にしておく
50
計算結果の可視化:流跡線の表示(⑤)
流跡線の表示のため,スケッチを作成
①Feature Manager クリック
②正面を右クリック
③スケッチをクリック
①
②
③
51
51
計算結果の可視化:流跡線の表示(⑤) ①直線 → ②流れの少し上流に直線を描画
→ ③OK → ④スケッチ終了
①
②
③
④
52
52
計算結果の可視化:流跡線の表示(⑤)
① 流跡線 挿入
② 作成したスケッチを選択
③ OK
①
②
③
流跡線の本数を指定
ラインの種類変更
前ページでスケッチ終了
していないと,選択できない
53
計算結果の可視化:流跡線の表示(⑤)
描いた線分を通る流跡線の表示
流跡線の定義編集で本数・太さ・色などを調整,また
線分スケッチの編集などを用いて見やすいよう工夫する.
スクリーンショットを保存
計算結果の可視化:XYプロット(⑥) 54
ライン上のプロットのために,スケッチ挿入
①Feature Manager クリック
②正面を右クリック
③スケッチをクリック
①
②
③
計算結果の可視化:XYプロット(⑥) 55
①エッジを選択
②エンティティ変換
③スケッチ終了 ①
②
③
計算結果の可視化:XYプロット(⑥) 56
①断面プロット 表示されたままなら非表示に変える
②XYプロット挿入
④せん断応力・相対圧力を選択
③作成したスケッチを選択
①
②
③
⑤表示
計算結果の可視化:XYプロット(⑥) 57
① 追加のパラメータ
② モデル形状,X,Yにチェック,OK
③ X,Yにチェック
②
⑤
④
③
④ 解像度タブ,アイコン(均等に分布した出力ポイント)をクリック,500を入力
⑤ Excelにエクスポート
⑥ OK
①
計算結果の可視化:XYプロット(⑥) 58
表示の場合
Excelエクスポート の場合
グラフ上で右クリックから保存できる
圧力・せん断力分布と物体に働く力の関係(⑦)
dxdypdsdspD ww cossin
dydxpdsdspL ww sincos
ds
p
w
ds
F
U
a
L
D
せん断力
圧力
迎角
主流
揚力
抗力
※翼表面に沿って反時計周りに積分
x
y
59 レポート作成時にエクセルで計算する
異なる角度を解析する際の注意!!!
計算を始める前に,新しいフォルダを作成し,新しいフォルダに名前をつけて保存する.
名前だけを変えた場合は,結果が上書きされてしまうので注意.
計算を実行する時点で上書きが始まるので,
「計算をする前に」新しいものを保存すること
計算領域は再設定が必要
コンフィギュレーションを用いると,より便利に条件の異なる解析が出来る.知りたい人はチュートリアル,テクニカルレファレンスなど参照のこと.
60
※班内でファイルを共有する際は, Oドライブの下記フォルダを使用できる
O:¥DE2016¥a01 (01部分は班番号)
スケジュール(後半,Group a) 内容 場所 備考
11/10 木 1 流体講義1 2-13B →11/18〆切レポート(各自)
11/11 金 2 流体講義2+設計 2-13B
11/14 月 3 振動講義1 2-13B
11/17 木 4 振動講義2+ワイヤカット見学 2-13B
11/18 金 5 流体・振動設計 2-13B 振動設計図提出
11/21 月 6 流体・振動設計 流体中間試問15分×17組
2-13B
11/24 木 7 流体・振動設計 振動中間試問15分×17組 流体試し計測
2-13B 8-0029
試問時にチェックリスト提出 順番に翼の加工・計測へ
11/28 月 8 流体・振動設計 流体試し計測
2-13B 8-0029
振動設計図提出
12/2 金 9 流体計測,振動発表会 2-13B 8-0029
アピールシート提出
12/20 火 (10) 講評会・表彰 2-221 16:30~ メカトロカップとジョイント 12/??〆切レポート(各自)
スクリーン
デジタルエンジニアリング演習 座席表 (Group a)
17班 19班
20班
21班
22班
市橋 弘光
岡本 祐一
西畑 智道
伊藤 航
越智 柾人
萩原 雅貴
伊藤 裕毅
海藤 直記
平田 叡佑
23班
25班
26班
27班
28班
29班
30班
31班
32班
33班
膽吹 尚広
川畑 亮
平田 祐登
伊吹 勇樹
川又 音
福沢 健
伊良 勇亮
上林 飛太
ペンエークウォン ケーマナット
イージョンミン
五十嵐雅弘
冨澤 森生
池崎 遼太
岩隈 啓悟
中村健二朗
池元優介
内田 悠斗
西田 裕信
岩佐 和時
北島 薫
本多 弘和
大川 脩平
小泉 光司
眞鍋 美祈
太田 恵雅
小矢野文章
宮本 直之
大場 柊星
清水 純
山村 修史
大場 雅史
鈴木 寧彦
米澤 知樹
藤林 駿佑
大屋 魁
杣津 佳穂
岡住 宏志
赤尾 武俊
高岡 昇平
荒井 知夢
荒井 隼人
田中 秀明
スクリーン
24班
03155002 岡 住 宏 志 17
03160169 赤 尾 武 俊 17
03160212 高 岡 昇 平 17
03160170 荒 井 知 夢 18
03160171 荒 井 隼 人 18
03160218 田 中 秀 明 18
03160172 イー ジョンミン 19
03160173 五十嵐 雅 弘 19
03160225 冨 澤 森 生 19
03160174 池 崎 遼 太 20
03160182 岩 隈 啓 悟 20
03160229 中 村 健二朗 20
03160175 池 元 優 介 21
03160184 内 田 悠 斗 21
03160232 西 田 裕 信 21
03160176 市 橋 弘 光 22
03160190 岡 本 祐 一 22
03160234 西 畑 智 道 22
03160177 伊 藤 航 23
03160191 越 智 柾 人 23
03160236 萩 原 雅 貴 23
03160178 伊 藤 裕 毅 24
03160192 海 藤 直 記 24
03160241 平 田 叡 佑 24
03160179 膽 吹 尚 広 25
03160194 川 畑 亮 25
03160242 平 田 祐 登 25
03160180 伊 吹 勇 樹 26
03160195 川 又 音 26
03160244 福 沢 健 26
03160181 伊 良 勇 亮 27
03160196 上 林 飛 太 27
03160245 ペンエークウォン ケーマナット 27
03160183 岩 佐 和 時 28
03160197 北 島 薫 28
03160247 本 多 弘 和 28
03160185 大 川 脩 平 29
03160199 小 泉 光 司 29
03160249 眞 鍋 美 祈 29
03160186 太 田 恵 雅 30
03160201 小矢野 文 章 30
03160251 宮 本 直 之 30
03160187 大 場 柊 星 31
03160206 清 水 純 31
03160259 山 村 修 史 31
03160188 大 場 雅 史 32
03160209 鈴 木 寧 彦 32
03160264 米 澤 知 樹 32
03150233 藤 林 駿 佑 33
03160189 大 屋 魁 33
03160211 杣 津 佳 穂 33
18班